WO2020234518A1 - Photocathode with improved quantum yield - Google Patents

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WO2020234518A1
WO2020234518A1 PCT/FR2020/000176 FR2020000176W WO2020234518A1 WO 2020234518 A1 WO2020234518 A1 WO 2020234518A1 FR 2020000176 W FR2020000176 W FR 2020000176W WO 2020234518 A1 WO2020234518 A1 WO 2020234518A1
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photocathode
radiation detector
layer
electrode
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Pascal Lavoute
Gert NÜTZEL
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Photonis France
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Definitions

  • the present invention relates to the general field of photocathodes such as those used in image intensifier tubes or photomultiplier tubes.
  • Electromagnetic radiation detectors such as image intensifier tubes or photomultiplier tubes, detect electromagnetic radiation in a given spectral band by converting it into a light or electrical output signal.
  • These detectors generally include a photocathode for receiving electromagnetic radiation and emitting in response a flow of photoelectrons, an electron multiplying device for receiving said flow of photoelectrons and emitting in response a flow of electrons, called secondary, and finally a device for output to receive said flow of electrons and convert it into an output signal.
  • Fig. 1 represents an electromagnetic radiation detector known from the state of the art.
  • such a detector, 100 comprises an inlet window made of transparent material, 110, generally of glass, serving as a support for a photoemissive or photocathode layer, 120, made of a semiconductor material.
  • the input window has a front face, 111, intended to receive the flow of incident photons and a rear face, 112 opposite to the front face.
  • the photoemissive layer comprises an upstream face, 121, in contact with the rear face of the entry window and a downstream face 122, from which the photoelectrons are emitted.
  • the photocathode is brought to a negative potential with respect to that applied to the electron multiplier device 130, the electron multiplier device itself being even at a potential negative with respect to that applied to the output device 140, for example a phosphor screen or a CCD matrix.
  • the photons arriving on the front face 111 pass through the transparent window 110 and enter the photoemissive layer 120, where they generate electron-hole pairs if they have an energy greater than the forbidden bandwidth of the semiconductor material.
  • the photoelectrons migrate to the downstream face, 122, of the photocathode where they are emitted into a vacuum, before being multiplied by the electron multiplier device, 130, and converted into a light or electrical signal by the output device, 140.
  • the quantum efficiency of the photocathode is conventionally defined as the ratio between the number of photoelectrons emitted by the photocathode and the number of photons received.
  • the quantum efficiency of the photocathode is an essential parameter of the detector, it conditions both its sensitivity and its signal-to-noise ratio. It depends in particular on the wavelength of the incident photons and on the thickness of the photoemissive layer.
  • the quantum efficiency can be significantly degraded by the presence of defects at the interface between the photocathode, 120, and the transparent window, 110. More precisely, these defects create surface states trapping the photoelectrons generated in the photocathode. The photoelectrons thus trapped can no longer migrate towards the downstream face of the photocathode and therefore do not participate in the photocurrent generated by the photoelectrons emitted by the photocathode.
  • this solution cannot be transposed to all types of photocathode, in particular to those made from a polycrystalline material, for example in a bi- or multi-alkaline compound such as SbK 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbCs 3 , SbNa 3 , SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa 2 KCs. Due to their polycrystalline structure, these photocathodes do not have a well-defined band diagram and it is difficult to provide an intermediate layer of a second semiconductor material making it possible to obtain the desired band curvature at the interface with the polycrystalline material.
  • An aim of the present invention is therefore to provide an electromagnetic radiation detector having a photocathode made of a first semiconductor material, exhibiting a high quantum efficiency without however requiring an intermediate layer made of a second suitable semiconductor material, between the input window. and the photocathode.
  • the present invention is defined by an electromagnetic radiation detector comprising a glass entry window having an upstream face intended to receive a flux of incident photons as well as a downstream face opposite the face. upstream, a photocathode in the form of a semiconductor layer, intended to generate photoelectrons from the incident photons and to emit said photoelectrons thus generated, an electron multiplier device configured to receive the photoelectrons emitted by the photocathode and to generate for each photoelectron received a plurality of secondary electrons and an output device configured to generate an output signal from said secondary electrons, the radiation detector being specific in that a transparent conductive layer is deposited on the downstream face of the window input and that a thin insulating layer is disposed between said conductive layer and the semiconductor layer, the conductive layer being electrically connected to a first electrode and the semiconductor layer being electrically connected to a second electrode, the first electrode being intended to be raised to a lower potential than that applied to the second electrode.
  • the semiconductor layer can in particular be made from a polycrystalline semiconductor material.
  • This material can be chosen from SbK 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbCs 3 , SbNa 3 , SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa 2 KCs.
  • the semiconductor layer can be produced in a monocrystalline semiconductor material III-IV or II-VI.
  • the transparent conductive layer is typically made of ITO or ZnO.
  • the thin insulating layer is advantageously made of a dielectric material having a breakdown voltage greater than 1 V / 10 nm.
  • This thin insulating layer generally has a thickness of 100 to 200 nm.
  • the dielectric material is advantageously chosen from Al 2 0 3 , Si0 2 , Hf0 3 .
  • s d are respectively the dielectric constants of the semiconductor layer and of the insulating layer, d is the thickness of the insulating layer, AU bb is the amplitude of the band curvature in the absence of applied potential difference, N a is the concentration of acceptors in the semiconductor layer and e is the charge of the electron.
  • Fig. 1 already described schematically represents the structure of an electromagnetic radiation detector known from the state of the art
  • Fig. 2 represents the band diagram of a photocathode with high quantum efficiency, known from the state of the art
  • Fig. 3 schematically shows the structure of an electromagnetic radiation detector according to one embodiment of the invention
  • Fig. 4 shows the band diagram of a photocathode used in the electromagnetic radiation detector of FIG. 3.
  • the idea behind the invention is to introduce between the entry window of the electromagnetic detector and the photocathode, a capacitive structure formed of a thin conductive layer serving as a polarization electrode, and a thin layer dielectric.
  • the polarization electrode is intended to be polarized at a potential lower than that applied to the photocathode so as to drive out of the recombination zone the photoelectrons generated near the interface.
  • Fig. 3 schematically shows the structure of an electromagnetic radiation detector according to one embodiment of the invention.
  • the detector comprises an entry window, 310, made of a material transparent in the spectral band of interest, for example a window made of quartz or of borosilicate glass.
  • the input window has an upstream face, 311, intended to receive the flow of incident photons and a downstream face, 312, opposite the upstream face.
  • a conductive layer, 316, transparent in the spectral band of interest, is deposited on the downstream face of the entry window. It is also electrically connected to a first electrode 315.
  • the transparent conductive layer can advantageously be made of ZnO or ITO. Its thickness is chosen from the range 50 to a few hundred nm and advantageously equal to 150 nm.
  • An insulating layer, 317 made of a dielectric material, is placed between the conductive layer 316 and the semiconductor layer of the photocathode, 320.
  • the dielectric material is chosen to have a high breakdown voltage, for example greater than IV / 10 nm. .
  • the thickness of the dielectric layer is typically 100-200 nm.
  • the dielectric material may in particular be alumina (Al 2 O 3 ), silica (Si0 2 ), or a Hafnium oxide (HF0 3 ).
  • the insulating layer may be produced in the form of a multilayer dielectric structure involving the aforementioned dielectric materials.
  • the photocathode 320 is produced in the form of a semiconductor layer deposited on the insulating layer 317.
  • the semiconductor can be monocrystalline, for example a III-V semiconductor, such as GaAs or II-VI, such as CdTe. Alternatively, it may have a polycrystalline structure, as may in particular be the case for bi- or multi-alkali compounds such as SbK 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbCs 3 , SbNa 3 , SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa 2 KCs.
  • the photocathode is electrically connected to a second electrode, 325.
  • the primary electrons emitted by the photocathode are emitted into a vacuum and multiplied by an electron multiplication device, 330, for example a microchannel wafer (GMC) or a layer of nanocrystalline diamond as described in the published application FR-A- 2961628 filed in the name of the present Applicant, or even a discrete dynode multiplier in the case of conventional photomultipliers.
  • the electron multiplication device is connected to a third electrode (not shown).
  • the photoelectrons thus multiplied are received by the output device, 340.
  • the output device may include a phosphor screen, ensuring direct conversion into an image as in an image intensifier or else a CCD or CMOS matrix for provide an electrical signal representative of the distribution of the incident photon flux, as in an EB-CCD (Electron Bombarded CCD) or EBCMOS (Electron Bombarded CMOS) system, or a simple metal anode in the case of conventional photomultipliers.
  • EB-CCD Electroded CCD
  • EBCMOS Electro Bombarded CMOS
  • the output device is connected to a fourth electrode acting as an anode.
  • the input window 310, the photocathode 320, the electron multiplication device, 330 and the output device are advantageously mounted in a compact tube body, the electrical connections of the electrodes with the external power supply being provided by rings. of connection separated by dielectric spacers.
  • the tube body may be in the form of a multilayer ceramic substrate on which the electron multiplication device will be fixed as described in the published application FR-A-2925218 filed in the name of present Applicant.
  • the potential difference V pk - V m will be between 1 and 50 V while the potential difference V a - V pk is of the order of several hundreds of V.
  • the application of this voltage to the first electrode has the effect of driving the photoelectrons generated in the recombination zone 321 towards the emission surface 322 of the photocathode.
  • the recombination zone of the photocathode is located at the interface with the dielectric layer.
  • the residence time of the photoelectrons in the recombination zone is very short due to the electric field applied between the conductive layer and the photocathode and correspondingly reduces their probability of recombination.
  • the transport of photoelectrons within the photocathode is no longer due mainly to diffusion but also to the internal electric field. This results in a reduction in the average travel time of the electrons in the photocathode and an improvement in the response time of the photodetector.
  • Fig. 4 shows the band diagram of a photocathode used in the electromagnetic radiation detector of FIG. 3.
  • the conductive layer is indicated by 410, by 420 the insulating layer and by 430 the semiconductor layer of the photocathode.
  • the upper part of the figure, designated by (A), corresponds to the situation where no potential difference is applied between the conductive layer and the semiconductor layer (p-type).
  • the conduction and valence bands of the semiconductor layer are curved downward at the interface with the insulating layer.
  • a photoelectron gas forms at the interface, in the potential cup 424.
  • 425 has been designated by the recombination zone where the surface states are located.
  • Photoelectrons generated at or near the interface have a high probability of recombination with surface states, especially since a photoelectron present in the potential cuvette will tend to migrate towards the recombination zone.
  • the lower part of the figure, designated by (B), corresponds to the situation where the conductive layer is brought to a potential lower than that of the layer semiconductor. More precisely, the potential difference V - V is chosen here to be greater than a threshold value AV th as explained below.
  • the conduction and valence bands of the semiconductor layer are this time curved upwards at the interface with the insulating layer.
  • the photoelectrons generated at the interface are driven from the recombination zone 425 by the electric field present in the zone of curvature of the bands.
  • V k - V m to be applied can be estimated as follows: in the absence of applied voltage (situation (A)), the space charge (negative) corresponding to the curvature of bands balances the charge (positive ) surface conditions.
  • This space charge can be approximated by: where e is the charge of the electron, N a is the concentration of acceptors in the photocathode (p-type) and x dt is the width of the depletion zone.
  • the width of the depletion zone can be estimated by:
  • the potential difference to be applied between the conductive layer and the photocathode making it possible to simply balance this charge by capacitive effect in the photocathode is therefore: where the FF index corresponds to a situation where the bands are flat at the interface, d is the thickness of the insulating layer and s d its dielectric constant. If we want to at least reverse the curvature of the bands, it will then be necessary to apply a potential difference

Abstract

The present invention relates to an electromagnetic radiation detector comprising an inlet window (310) intended to receive a stream of incident photons, as well as a photocathode (320) in the form of a semiconductive layer. A conductive layer (316) is deposited on the downstream face (312) of the inlet window and a thin dielectric layer (317) is disposed between the conductive layer (316) and the semiconductive layer (320). The conductive layer is brought to a potential below that of the semiconductive layer so as to drive the photoelectrons out of the recombination zone and consequently improve the quantum yield of the photocathode.

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : PHOTOCATHODE À RENDEMENT QUANTIQUE AMÉLIORÉ TITLE: IMPROVED QUANTUM YIELD PHOTOCATHODE
Domaine technique Technical area
La présente invention concerne le domaine général des photocathodes telles que celles utilisées dans les tubes intensificateurs d'image ou les tubes photomultiplicateurs. The present invention relates to the general field of photocathodes such as those used in image intensifier tubes or photomultiplier tubes.
Etat de la technique antérieure State of the prior art
Les détecteurs de rayonnement électromagnétique, tels que les tubes intensificateurs d'image ou les tubes photomultiplicateurs, permettent de détecter un rayonnement électromagnétique dans une bande spectrale donnée en le convertissant en un signal de sortie lumineux ou électrique. Electromagnetic radiation detectors, such as image intensifier tubes or photomultiplier tubes, detect electromagnetic radiation in a given spectral band by converting it into a light or electrical output signal.
Ces détecteurs comportent généralement une photocathode pour recevoir le rayonnement électromagnétique et émettre en réponse un flux de photoélectrons, un dispositif multiplicateur d'électrons pour recevoir ledit flux de photoélectrons et émettre en réponse un flux d'électrons, dits secondaires, et enfin un dispositif de sortie pour recevoir ledit flux d'électrons et le convertir en un signal de sortie. These detectors generally include a photocathode for receiving electromagnetic radiation and emitting in response a flow of photoelectrons, an electron multiplying device for receiving said flow of photoelectrons and emitting in response a flow of electrons, called secondary, and finally a device for output to receive said flow of electrons and convert it into an output signal.
La Fig. 1 représente un détecteur de rayonnement électromagnétique connu de l'état de la technique. Fig. 1 represents an electromagnetic radiation detector known from the state of the art.
Comme illustré sur la figure, un tel détecteur, 100, comprend une fenêtre d'entrée en matériau transparent, 110, généralement en verre, servant de support à une couche photoémissive ou photocathode, 120, réalisée en un matériau semiconducteur. La fenêtre d'entrée présente une face avant, 111, destinée à recevoir le flux de photons incidents et une face arrière, 112 opposée à la face avant. La couche photoémissive comporte une face amont, 121, en contact avec la face arrière de la fenêtre d'entrée et une face aval 122, à partir de laquelle les photoélectrons sont émis. As illustrated in the figure, such a detector, 100, comprises an inlet window made of transparent material, 110, generally of glass, serving as a support for a photoemissive or photocathode layer, 120, made of a semiconductor material. The input window has a front face, 111, intended to receive the flow of incident photons and a rear face, 112 opposite to the front face. The photoemissive layer comprises an upstream face, 121, in contact with the rear face of the entry window and a downstream face 122, from which the photoelectrons are emitted.
La photocathode est portée à un potentiel négatif par rapport à celui appliqué au dispositif multiplicateur d'électrons 130, le dispositif multiplicateur d'électrons étant lui- même à un potentiel négatif par rapport à celui appliqué au dispositif de sortie 140, par exemple un écran phosphore ou une matrice CCD. The photocathode is brought to a negative potential with respect to that applied to the electron multiplier device 130, the electron multiplier device itself being even at a potential negative with respect to that applied to the output device 140, for example a phosphor screen or a CCD matrix.
Les photons arrivant sur la face avant 111, traversent la fenêtre transparente 110 et pénètrent dans la couche photoémissive 120, où, ils génèrent des paires électrons- trous s'ils possèdent une énergie supérieure à la largeur de bande interdite du matériau semiconducteur. Les photoélectrons migrent vers la face aval, 122, de la photocathode où ils sont émis dans le vide, avant d'être multipliés par le dispositif multiplicateur d'électrons, 130, et convertis en un signal lumineux ou électrique par le dispositif de sortie, 140. The photons arriving on the front face 111, pass through the transparent window 110 and enter the photoemissive layer 120, where they generate electron-hole pairs if they have an energy greater than the forbidden bandwidth of the semiconductor material. The photoelectrons migrate to the downstream face, 122, of the photocathode where they are emitted into a vacuum, before being multiplied by the electron multiplier device, 130, and converted into a light or electrical signal by the output device, 140.
Le rendement quantique de la photocathode est classiquement défini comme le rapport entre le nombre de photoélectrons émis par la photocathode et le nombre de photons reçus. Le rendement quantique de la photocathode est un paramètre essentiel du détecteur, il conditionne à la fois sa sensibilité et son rapport signal sur bruit. Il dépend notamment de la longueur d'onde des photons incidents et de l'épaisseur de la couche photoémissive. The quantum efficiency of the photocathode is conventionally defined as the ratio between the number of photoelectrons emitted by the photocathode and the number of photons received. The quantum efficiency of the photocathode is an essential parameter of the detector, it conditions both its sensitivity and its signal-to-noise ratio. It depends in particular on the wavelength of the incident photons and on the thickness of the photoemissive layer.
Le rendement quantique peut être sensiblement dégradé par la présence de défauts à l'interface entre la photocathode, 120, et la fenêtre transparente, 110. Plus précisément, ces défauts créent des états de surface piégeant les photoélectrons générés dans la photocathode. Les photoélectrons ainsi piégés ne peuvent plus migrer vers la face aval de la photocathode et ne participent donc pas au photocourant généré par les photoélectrons émis par la photocathode. The quantum efficiency can be significantly degraded by the presence of defects at the interface between the photocathode, 120, and the transparent window, 110. More precisely, these defects create surface states trapping the photoelectrons generated in the photocathode. The photoelectrons thus trapped can no longer migrate towards the downstream face of the photocathode and therefore do not participate in the photocurrent generated by the photoelectrons emitted by the photocathode.
Cette détérioration du rendement quantique de la photocathode se fait particulièrement sentir dans les faibles longueurs d'onde. En effet, les photons de plus forte énergie interagissent plus tôt avec le semiconducteur le long de leur trajectoire au sein de la photocathode. Les photoélectrons générés par ces photons ont par conséquent une probabilité plus élevée d'être piégés à l'interface. This deterioration in the quantum efficiency of the photocathode is particularly noticeable at short wavelengths. Indeed, the higher energy photons interact earlier with the semiconductor along their trajectory within the photocathode. The photoelectrons generated by these photons therefore have a higher probability of being trapped at the interface.
Pour combattre cette détérioration du rendement quantique, il a été proposé d'introduire, à l'interface entre la fenêtre d'entrée et de la photocathode, une couche intermédiaire de matériau semiconducteur possédant une bande interdite plus large que celle de de la photocathode. Ainsi, par exemple, si la photocathode est réalisée dans un matériau semiconducteur lll-V tel que GaAs de type p, on peut introduire une couche intermédiaire de GaAlAs de type p à l'interface. La plus grande largeur de bande interdite de GaAlsAs par rapport à GaAs crée une courbure de bandes vers le haut (upward band bending ) du côté de la photocathode comme on peut le voir dans le diagramme de bandes de la Fig. 2. Ainsi, lorsqu'un photon génère une paire électron-trou à proximité de l'interface, le photoélectron est extrait hors de la zone de recombinaison par le champ électrique local. To combat this deterioration of the quantum efficiency, it has been proposed to introduce, at the interface between the input window and the photocathode, an intermediate layer of semiconductor material having a forbidden band wider than that of the photocathode. So, for example, if the photocathode is carried out in a III-V semiconductor material such as p-type GaAs, an intermediate layer of p-type GaAlAs can be introduced at the interface. The larger band gap of GaAlsAs compared to GaAs creates an upward band bending on the photocathode side as can be seen in the band diagram of Fig. 2. Thus, when a photon generates an electron-hole pair near the interface, the photoelectron is extracted out of the recombination zone by the local electric field.
Cette solution n'est toutefois pas transposable à tous les types de photocathode, en particulier à celles réalisées dans un matériau polycristallin, par exemple dans un composé bi- ou multi-alcalin tel que SbK2Cs, SbRb2Cs, SbRb2Cs, SbCs3, SbNa3, SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa2KCs. Du fait de leur structure polycristalline, ces photocathodes ne possèdent pas un diagramme de bandes bien défini et il est difficile de prévoir une couche intermédiaire en un second matériau semiconducteur permettant d'obtenir la courbure de bandes souhaitée à l'interface avec le matériau polycristallin. However, this solution cannot be transposed to all types of photocathode, in particular to those made from a polycrystalline material, for example in a bi- or multi-alkaline compound such as SbK 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbCs 3 , SbNa 3 , SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa 2 KCs. Due to their polycrystalline structure, these photocathodes do not have a well-defined band diagram and it is difficult to provide an intermediate layer of a second semiconductor material making it possible to obtain the desired band curvature at the interface with the polycrystalline material.
De manière plus générale, même pour des photocathodes réalisées dans un matériau semiconducteur monocristallin, il n'est pas toujours aisé de trouver un second matériau semiconducteur adapté permettant à la fois d'obtenir un accord de maille et la courbure de bandes souhaitée avec le matériau semiconducteur constitutif de la photocathode. Ceci est notamment problématique pour les photocathodes réalisées dans un matériau semiconducteur ll-VI, tel que CdTe. More generally, even for photocathodes made from a monocrystalline semiconductor material, it is not always easy to find a second suitable semiconductor material making it possible both to obtain a mesh match and the desired band curvature with the material. semiconductor constituting the photocathode. This is particularly problematic for photocathodes produced in a II-VI semiconductor material, such as CdTe.
Un but de la présente invention est par conséquent de proposer un détecteur de rayonnement électromagnétique possédant une photocathode en un premier matériau semiconducteur, présentant un rendement quantique élevé sans pour autant nécessiter une couche intermédiaire en un second matériau semiconducteur adapté, entre la fenêtre d'entrée et la photocathode. An aim of the present invention is therefore to provide an electromagnetic radiation detector having a photocathode made of a first semiconductor material, exhibiting a high quantum efficiency without however requiring an intermediate layer made of a second suitable semiconductor material, between the input window. and the photocathode.
Présentation de l'invention Presentation of the invention
La présente invention est définie par un détecteur de rayonnement électromagnétique comprenant une fenêtre d'entrée en verre possédant une face amont destinée à recevoir un flux de photons incidents ainsi qu'une face aval opposée à la face amont, une photocathode sous la forme d'une couche semiconductrice, destinée à générer des photoélectrons à partir des photons incidents et à émettre lesdits photoélectrons ainsi générés, un dispositif multiplicateur d'électrons configuré pour recevoir les photoélectrons émis par la photocathode et à générer pour chaque photoélectron reçu une pluralité d'électrons secondaires et un dispositif de sortie configuré pour générer un signal de sortie à partir desdits électrons secondaires, le détecteur de rayonnement étant spécifique en ce qu'une couche conductrice transparente est déposée sur la face aval de la fenêtre d'entrée et qu'une couche mince isolante est disposée entre ladite couche conductrice et la couche semiconductrice, la couche conductrice étant reliée électriquement à une première électrode et la couche semiconductrice étant reliée électriquement à une seconde électrode, la première électrode étant destinée à être portée à un potentiel inférieur à celui appliqué à la second électrode. The present invention is defined by an electromagnetic radiation detector comprising a glass entry window having an upstream face intended to receive a flux of incident photons as well as a downstream face opposite the face. upstream, a photocathode in the form of a semiconductor layer, intended to generate photoelectrons from the incident photons and to emit said photoelectrons thus generated, an electron multiplier device configured to receive the photoelectrons emitted by the photocathode and to generate for each photoelectron received a plurality of secondary electrons and an output device configured to generate an output signal from said secondary electrons, the radiation detector being specific in that a transparent conductive layer is deposited on the downstream face of the window input and that a thin insulating layer is disposed between said conductive layer and the semiconductor layer, the conductive layer being electrically connected to a first electrode and the semiconductor layer being electrically connected to a second electrode, the first electrode being intended to be raised to a lower potential than that applied to the second electrode.
La couche semiconductrice peut notamment être réalisée dans un matériau semiconducteur polycristallin. Ce matériau peut être choisi parmi SbK2Cs, SbRb2Cs, SbRb2Cs, SbCs3, SbNa3, SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa2KCs. The semiconductor layer can in particular be made from a polycrystalline semiconductor material. This material can be chosen from SbK 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbCs 3 , SbNa 3 , SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa 2 KCs.
Alternativement, la couche semiconductrice peut être réalisée dans un matériau semiconducteur monocristallin lll-IV ou ll-VI. Alternatively, the semiconductor layer can be produced in a monocrystalline semiconductor material III-IV or II-VI.
La couche conductrice transparente est typiquement réalisée en ITO ou ZnO. The transparent conductive layer is typically made of ITO or ZnO.
La couche mince isolante est avantageusement réalisée dans un matériau diélectrique présentant une tension de claquage supérieure à 1 V/ 10 nm. Cette couche mince isolante a généralement une épaisseur de 100 à 200 nm. Le matériau diélectrique est avantageusement choisi parmi Al203 , Si02, Hf03. The thin insulating layer is advantageously made of a dielectric material having a breakdown voltage greater than 1 V / 10 nm. This thin insulating layer generally has a thickness of 100 to 200 nm. The dielectric material is advantageously chosen from Al 2 0 3 , Si0 2 , Hf0 3 .
La différence de potentiel appliquée entre la seconde électrode et la première The potential difference applied between the second electrode and the first
4ô JssAUbbeNa 4ô Js s AU bb eN a
électrode est avantageusement choisie supérieure ou égale à où ss et e electrode is advantageously chosen greater than or equal to where s s and e
sd sont respectivement les constantes diélectriques de la couche semiconductrice et de la couche isolante, d est l'épaisseur de la couche isolante, AUbb est l'amplitude de la courbure de bande en absence de différence de potentiel appliquée, Na est la concentration d'accepteurs dans la couche semiconductrice et e est la charge de l'électron. s d are respectively the dielectric constants of the semiconductor layer and of the insulating layer, d is the thickness of the insulating layer, AU bb is the amplitude of the band curvature in the absence of applied potential difference, N a is the concentration of acceptors in the semiconductor layer and e is the charge of the electron.
Brève description des figures Brief description of the figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention, décrit en référence aux figures jointes parmi lesquelles : Other characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading a preferred embodiment of the invention, described with reference to the appended figures, among which:
La Fig. 1, déjà décrite représente schématiquement la structure d'un détecteur de rayonnement électromagnétique connu de l'état de la technique ; Fig. 1, already described schematically represents the structure of an electromagnetic radiation detector known from the state of the art;
La Fig. 2 représente le diagramme de bandes d'une photocathode à rendement quantique élevé, connue de l'état de la technique ; Fig. 2 represents the band diagram of a photocathode with high quantum efficiency, known from the state of the art;
La Fig. 3 représente schématiquement la structure d'un détecteur de rayonnement électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention ; Fig. 3 schematically shows the structure of an electromagnetic radiation detector according to one embodiment of the invention;
La Fig. 4 représente le diagramme de bandes d'une photocathode utilisée dans le détecteur de rayonnement électromagnétique de la Fig. 3. Fig. 4 shows the band diagram of a photocathode used in the electromagnetic radiation detector of FIG. 3.
Description des modes de réalisation Description of embodiments
L'idée à la base de l'invention est d'introduire entre la fenêtre d'entrée du détecteur électromagnétique et la photocathode, une structure capacitive formée d'une couche conductrice mince servant d'électrode de polarisation, et d'une couche mince de diélectrique. L'électrode de polarisation est destinée à être polarisée à un potentiel inférieur à celui appliqué à la photocathode de manière à chasser hors de la zone de recombinaison les photoélectrons générés à proximité de l'interface. La Fig. 3 représente de manière schématique la structure d'un détecteur de rayonnement électromagnétique selon un mode de réalisation de l'invention. The idea behind the invention is to introduce between the entry window of the electromagnetic detector and the photocathode, a capacitive structure formed of a thin conductive layer serving as a polarization electrode, and a thin layer dielectric. The polarization electrode is intended to be polarized at a potential lower than that applied to the photocathode so as to drive out of the recombination zone the photoelectrons generated near the interface. Fig. 3 schematically shows the structure of an electromagnetic radiation detector according to one embodiment of the invention.
Le détecteur comprend comme précédemment une fenêtre d'entrée, 310, en un matériau transparent dans la bande spectrale d'intérêt, par exemple une fenêtre en quartz ou en verre borosilicate. La fenêtre d'entrée présente une face amont, 311, destinée à recevoir le flux de photons incidents et une face aval, 312, opposée à la face amont. As previously, the detector comprises an entry window, 310, made of a material transparent in the spectral band of interest, for example a window made of quartz or of borosilicate glass. The input window has an upstream face, 311, intended to receive the flow of incident photons and a downstream face, 312, opposite the upstream face.
Une couche conductrice, 316, transparente dans la bande spectrale d'intérêt, est déposée sur la face aval de la fenêtre d'entrée. Elle est en outre reliée électriquement à une première électrode 315. La couche conductrice transparente peut être avantageusement réalisée en ZnO ou en ITO. Son épaisseur est choisie dans la gamme 50 à quelques centaines de nm et avantageusement égale à 150 nm. A conductive layer, 316, transparent in the spectral band of interest, is deposited on the downstream face of the entry window. It is also electrically connected to a first electrode 315. The transparent conductive layer can advantageously be made of ZnO or ITO. Its thickness is chosen from the range 50 to a few hundred nm and advantageously equal to 150 nm.
Une couche isolante, 317, réalisée en un matériau diélectrique, est disposée entre la couche conductrice 316 et la couche semiconductrice de la photocathode, 320. Le matériau diélectrique est choisi pour présenter une tension de claquage élevée, par exemple supérieure à IV/ 10 nm. L'épaisseur de la couche diélectrique est typiquement de 100 à 200 nm. Le matériau diélectrique pourra notamment être de l'alumine (Al203), de la silice (Si02), ou un oxyde d'Hafnium (HF03). Selon une variante, la couche isolante pourra être réalisée sous la forme d'une structure diélectrique multicouche faisant intervenir les matériaux diélectriques précités. An insulating layer, 317, made of a dielectric material, is placed between the conductive layer 316 and the semiconductor layer of the photocathode, 320. The dielectric material is chosen to have a high breakdown voltage, for example greater than IV / 10 nm. . The thickness of the dielectric layer is typically 100-200 nm. The dielectric material may in particular be alumina (Al 2 O 3 ), silica (Si0 2 ), or a Hafnium oxide (HF0 3 ). According to one variant, the insulating layer may be produced in the form of a multilayer dielectric structure involving the aforementioned dielectric materials.
La photocathode 320 est réalisée sous la forme d'une couche semiconductrice déposée sur la couche isolante 317. Le semiconducteur peut être monocristallin, par exemple un semiconducteur lll-V, tel que GaAs ou ll-VI, tel que CdTe. Alternativement il peut avoir une structure polycristalline, comme ce peut être notamment le cas pour les composés bi- ou multi-alcalins tels que SbK2Cs, SbRb2Cs, SbRb2Cs, SbCs3, SbNa3, SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa2KCs. The photocathode 320 is produced in the form of a semiconductor layer deposited on the insulating layer 317. The semiconductor can be monocrystalline, for example a III-V semiconductor, such as GaAs or II-VI, such as CdTe. Alternatively, it may have a polycrystalline structure, as may in particular be the case for bi- or multi-alkali compounds such as SbK 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbCs 3 , SbNa 3 , SbNaKRbCs, SbNaKCs, SbNa 2 KCs.
Dans tous les cas, la photocathode est reliée électriquement à une seconde électrode, 325. In all cases, the photocathode is electrically connected to a second electrode, 325.
Les électrons primaires émis par la photocathode sont émis dans le vide et multipliés par un dispositif de multiplication d'électrons, 330, par exemple une galette de microcanaux (GMC) ou une couche de diamant nanocristallin comme décrit dans la demande publiée FR-A-2961628 déposée au nom de la présente Demanderesse, voire encore un multiplicateur à dynodes discrètes dans le cas des photomultiplicateurs classiques. Le dispositif de multiplication d'électrons est relié à une troisième électrode (non représentée). The primary electrons emitted by the photocathode are emitted into a vacuum and multiplied by an electron multiplication device, 330, for example a microchannel wafer (GMC) or a layer of nanocrystalline diamond as described in the published application FR-A- 2961628 filed in the name of the present Applicant, or even a discrete dynode multiplier in the case of conventional photomultipliers. The electron multiplication device is connected to a third electrode (not shown).
Les photoélectrons ainsi multipliés, dénommés électrons secondaires, sont reçus par le dispositif de sortie, 340. Le dispositif de sortie peut comporter un écran phosphore, assurant une conversion directe en image comme dans un intensificateur d'image ou bien une matrice CCD ou CMOS pour fournir un signal électrique représentatif de la distribution du flux de photons incidents, comme dans un système EB-CCD ( Electron Bombarded CCD) ou EBCMOS ( Electron Bombarded CMOS), ou une simple anode métallique dans le cas des photomultiplicateurs classiques. The photoelectrons thus multiplied, called secondary electrons, are received by the output device, 340. The output device may include a phosphor screen, ensuring direct conversion into an image as in an image intensifier or else a CCD or CMOS matrix for provide an electrical signal representative of the distribution of the incident photon flux, as in an EB-CCD (Electron Bombarded CCD) or EBCMOS (Electron Bombarded CMOS) system, or a simple metal anode in the case of conventional photomultipliers.
Le dispositif de sortie est relié à une quatrième électrode jouant le rôle d'anode. The output device is connected to a fourth electrode acting as an anode.
La fenêtre d'entrée 310, la photocathode 320, le dispositif de multiplication d'électrons, 330 et le dispositif de sortie sont avantageusement montés dans un corps de tube compact, les connexions électriques des électrodes avec l'alimentation extérieures étant assurées par des bagues de connexion séparées par des entretoises diélectriques. Selon une variante avantageuse de réalisation, le corps de tube pourra se présenter sous la forme d'un substrat céramique multicouche sur lequel sera fixée le dispositif de multiplication d'électrons comme décrit dans la demande publiée FR-A-2925218 déposée au nom de la présente Demanderesse. The input window 310, the photocathode 320, the electron multiplication device, 330 and the output device are advantageously mounted in a compact tube body, the electrical connections of the electrodes with the external power supply being provided by rings. of connection separated by dielectric spacers. According to an advantageous variant embodiment, the tube body may be in the form of a multilayer ceramic substrate on which the electron multiplication device will be fixed as described in the published application FR-A-2925218 filed in the name of present Applicant.
Bien entendu, comme dans une photocathode conventionnelle, l'extraction des photoélectrons et leur accélération est assurée en appliquant une haute tension entre l'anode et la cathode. Toutefois, de manière originale, il est appliqué une tension négative entre la première électrode et la seconde électrode de sorte que la couche conductrice est portée à un potentiel inférieur à celui de la photocathode. Plus précisément si l'on note respectivement Vm,Vpk,Va les potentiels respectifs de la couche conductrice, de la photocathode et l'anode, on a V < V , « V . En d'autres termes, la différence de potentiel entre la couche conductrice et l'anode est essentiellement due à celle entre la photocathode et l'anode. En pratique, la différence de potentiel Vpk - Vm sera comprise entre 1 et 50 V alors que la différence de potentiel Va - Vpk est de l'ordre de plusieurs centaines de V. L'application de cette tension sur la première électrode a pour effet de chasser les photoélectrons générés dans la zone de recombinaison 321 vers la surface d'émission 322 de la photocathode. La zone de recombinaison de la photocathode est située à l'interface avec la couche diélectrique. L'homme du métier comprendra en effet que les dislocations et défauts à l'interface avec la couche diélectrique jouent le rôle de centre de recombinaison des photoélectrons. Le temps de séjour des photoélectrons dans la zone de recombinaison est très court du fait du champ électrique appliqué entre la couche conductrice et la photocathode et réduit d'autant leur probabilité de recombinaison. Of course, as in a conventional photocathode, the extraction of the photoelectrons and their acceleration is ensured by applying a high voltage between the anode and the cathode. However, in an original manner, a negative voltage is applied between the first electrode and the second electrode so that the conductive layer is brought to a potential lower than that of the photocathode. More precisely if we denote respectively V m , V pk , V a the respective potentials of the conductive layer, of the photocathode and the anode, we have V <V, “V. In other words, the potential difference between the conductive layer and the anode is essentially due to that between the photocathode and the anode. In practice, the potential difference V pk - V m will be between 1 and 50 V while the potential difference V a - V pk is of the order of several hundreds of V. The application of this voltage to the first electrode has the effect of driving the photoelectrons generated in the recombination zone 321 towards the emission surface 322 of the photocathode. The recombination zone of the photocathode is located at the interface with the dielectric layer. Those skilled in the art will in fact understand that the dislocations and defects at the interface with the dielectric layer play the role of photoelectron recombination center. The residence time of the photoelectrons in the recombination zone is very short due to the electric field applied between the conductive layer and the photocathode and correspondingly reduces their probability of recombination.
En outre, le transport des photoélectrons au sein de la photocathode n'est plus dû principalement à la diffusion mais également au champ électrique interne. Il en résulte une réduction du temps moyen de parcours des électrons dans la photocathode et une amélioration du temps de réponse du photodétecteur. In addition, the transport of photoelectrons within the photocathode is no longer due mainly to diffusion but also to the internal electric field. This results in a reduction in the average travel time of the electrons in the photocathode and an improvement in the response time of the photodetector.
La Fig. 4 représente le diagramme de bandes d'une photocathode utilisée dans le détecteur de rayonnement électromagnétique de la Fig. 3. Fig. 4 shows the band diagram of a photocathode used in the electromagnetic radiation detector of FIG. 3.
On a indiqué par 410 la couche conductrice, par 420 la couche isolante et par 430 la couche semiconductrice de la photocathode. The conductive layer is indicated by 410, by 420 the insulating layer and by 430 the semiconductor layer of the photocathode.
La partie haute de la figure, désignée par (A), correspond à la situation où aucune différence de potentiel n'est appliquée entre la couche conductrice et la couche semiconductrice (de type p). The upper part of the figure, designated by (A), corresponds to the situation where no potential difference is applied between the conductive layer and the semiconductor layer (p-type).
On remarque que les bandes de conduction et de valence de la couche semiconductrice sont incurvées vers le bas à l'interface avec la couche isolante. Autrement dit dans une telle situation, un gaz de photoélectrons se forme à l'interface, dans la cuvette de potentiel 424. On a désigné par ailleurs par 425 la zone de recombinaison où se trouvent les états de surface. Note that the conduction and valence bands of the semiconductor layer are curved downward at the interface with the insulating layer. In other words, in such a situation, a photoelectron gas forms at the interface, in the potential cup 424. Moreover, 425 has been designated by the recombination zone where the surface states are located.
Les photoélectrons générés à ou près de l'interface ont une probabilité de recombinaison élevée avec les états de surface, ce d'autant qu'un photoélectron présent dans la cuvette de potentiel aura tendance à migrer vers la zone de recombinaison. Photoelectrons generated at or near the interface have a high probability of recombination with surface states, especially since a photoelectron present in the potential cuvette will tend to migrate towards the recombination zone.
La partie basse de la figure, désignée par (B), correspond à la situation où la couche conductrice est portée à un potentiel inférieur à celui de la couche semiconductrice. Plus précisément la différence de potentiel V - V est choisie ici supérieure à une valeur de seuil AVth comme explicité plus loin. The lower part of the figure, designated by (B), corresponds to the situation where the conductive layer is brought to a potential lower than that of the layer semiconductor. More precisely, the potential difference V - V is chosen here to be greater than a threshold value AV th as explained below.
On remarque que les bandes de conduction et de valence de la couche semiconductrice sont cette fois-ci incurvées vers le haut à l'interface avec la couche isolante. Autrement dit dans une telle situation, les photoélectrons générés à l'interface sont chassés de la zone de recombinaison 425 par le champ électrique présent dans la zone de courbure des bandes. Note that the conduction and valence bands of the semiconductor layer are this time curved upwards at the interface with the insulating layer. In other words, in such a situation, the photoelectrons generated at the interface are driven from the recombination zone 425 by the electric field present in the zone of curvature of the bands.
La différence de potentiel V k - Vm à appliquer peut être estimée comme suit : en l'absence de tension appliquée (situation (A)), la charge d'espace (négative) correspondant à la courbure de bandes équilibre la charge (positive) des états de surface. Cette charge d'espace peut être approximée par :
Figure imgf000011_0001
où e est la charge de l'électron, Na est la concentration d'accepteurs dans la photocathode ( de type p) et xdt est la largeur de la zone de déplétion.
The potential difference V k - V m to be applied can be estimated as follows: in the absence of applied voltage (situation (A)), the space charge (negative) corresponding to the curvature of bands balances the charge (positive ) surface conditions. This space charge can be approximated by:
Figure imgf000011_0001
where e is the charge of the electron, N a is the concentration of acceptors in the photocathode (p-type) and x dt is the width of the depletion zone.
La largeur de la zone de déplétion peut être estimée par : The width of the depletion zone can be estimated by:
4 esAUbb 4 th s AU bb
x (2) x (2)
eNa où ss est la constante diélectrique du semiconducteur et AUbb est la courbure de bande en absence de différence de potentiel. Il en résulte que Q,
Figure imgf000011_0002
.
eN a where s s is the dielectric constant of the semiconductor and AU bb is the band curvature in the absence of potential difference. It follows that Q,
Figure imgf000011_0002
.
La différence de potentiel à appliquer entre la couche conductrice et la photocathode permettant de simplement équilibrer cette charge par effet capacitif dans la photocathode est donc de :
Figure imgf000011_0003
où l'indice FF correspond à une situation où les bandes sont plates à l'interface, d est l'épaisseur de la couche isolante et sd sa constante diélectrique. Si l'on veut au moins inverser la courbure de bandes, il conviendra alors d'appliquer une différence de potentiel
The potential difference to be applied between the conductive layer and the photocathode making it possible to simply balance this charge by capacitive effect in the photocathode is therefore:
Figure imgf000011_0003
where the FF index corresponds to a situation where the bands are flat at the interface, d is the thickness of the insulating layer and s d its dielectric constant. If we want to at least reverse the curvature of the bands, it will then be necessary to apply a potential difference
Figure imgf000012_0001
Figure imgf000012_0001
, F 4Sjs,AUueNa , F 4Sjs, AU u eN a
Figure imgf000012_0002
Figure imgf000012_0002
L'homme du métier comprendra toutefois qu'une amélioration du rendement quantique sera obtenue dès lors que Vm < Vpk , dans la mesure où toute réduction de la courbure de bandes, avant même son inversion, réduira la largeur de la cuvette de potentiel à l'interface et diminuera par conséquent la probabilité de recombinaison des photoélectrons. Those skilled in the art will however understand that an improvement in the quantum efficiency will be obtained as soon as V m <V pk , insofar as any reduction in the curvature of the bands, even before its inversion, will reduce the width of the potential pit. at the interface and will therefore decrease the probability of photoelectron recombination.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur de rayonnement électromagnétique comprenant une fenêtre d'entrée en verre (310) possédant une face amont (311) destinée à recevoir un flux de photons incidents ainsi qu'une face aval (312) opposée à la face amont, une photocathode sous la forme d'une couche semiconductrice (320), destinée à générer des photoélectrons à partir des photons incidents et à émettre lesdits photoélectrons ainsi générés, un dispositif multiplicateur d'électrons (330) configuré pour recevoir les photoélectrons émis par la photocathode et à générer pour chaque photoélectron reçu une pluralité d'électrons secondaires et un dispositif de sortie (340) configuré pour générer un signal de sortie à partir desdits électrons secondaires, caractérisé en ce qu'une couche conductrice transparente (316) est déposée sur la face aval (312) de la fenêtre d'entrée et qu'une couche mince isolante (317) est disposée entre ladite couche conductrice (316) et la couche semiconductrice (320), la couche conductrice étant reliée électriquement à une première électrode (315) et la couche semiconductrice étant reliée électriquement à une seconde électrode (325), la première électrode étant destinée à être portée à un potentiel inférieur à celui appliqué à la second électrode. 1. Electromagnetic radiation detector comprising a glass entry window (310) having an upstream face (311) intended to receive a flux of incident photons as well as a downstream face (312) opposite the upstream face, a photocathode under in the form of a semiconductor layer (320), intended to generate photoelectrons from the incident photons and to emit said photoelectrons thus generated, an electron multiplier device (330) configured to receive the photoelectrons emitted by the photocathode and to generate for each photoelectron received a plurality of secondary electrons and an output device (340) configured to generate an output signal from said secondary electrons, characterized in that a transparent conductive layer (316) is deposited on the downstream face ( 312) of the entry window and that a thin insulating layer (317) is disposed between said conductive layer (316) and the semiconductor layer (320), the conductive layer being electrically connected to a first electrode (315) and the semiconductor layer being electrically connected to a second electrode (325), the first electrode being intended to be brought to a potential lower than that applied to the second electrode.
2. Détecteur de rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche semiconductrice est réalisée dans un matériau semiconducteur polycristallin. 2. Electromagnetic radiation detector according to claim 1, characterized in that the semiconductor layer is made of a polycrystalline semiconductor material.
3. Détecteur de rayonnement électromagnétique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le matériau semiconducteur polycristallin est choisi parmi SbK2Cs, SbRb2Cs, SbRb2Cs, SbCs3, SbNa3, SbNaKRbCs, SbNaKCs, Sbl\la2KCs. 3. Electromagnetic radiation detector according to claim 2, characterized in that the polycrystalline semiconductor material is chosen from SbK 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbRb 2 Cs, SbCs 3 , SbNa 3 , SbNaKRbCs, SbNaKCs, Sbl \ la 2 KCs.
4. Détecteur de rayonnement électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche semiconductrice est réalisée dans un matériau semiconducteur monocristallin l ll-IV ou ll-VI. 4. Electromagnetic radiation detector according to claim 1, characterized in that the semiconductor layer is made of a monocrystalline semiconductor material II-IV or II-VI.
5. Détecteur de rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche conductrice transparente est réalisée en ITO ou ZnO. 5. Electromagnetic radiation detector according to one of the preceding claims, characterized in that the transparent conductive layer is made of ITO or ZnO.
6. Détecteur de rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche mince isolante est réalisée dans un matériau diélectrique présentant une tension de claquage supérieure à 1 V/ 10 nm. 6. Electromagnetic radiation detector according to one of the preceding claims, characterized in that the thin insulating layer is made of a dielectric material having a breakdown voltage greater than 1 V / 10 nm.
7. Détecteur de rayonnement électromagnétique, selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche mince isolante a une épaisseur de 100 à 200 nm. 7. Electromagnetic radiation detector according to claim 6, characterized in that the thin insulating layer has a thickness of 100 to 200 nm.
8. Détecteur de rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau diélectrique est choisi parmi Al203 , Si02, Hf03. 8. Electromagnetic radiation detector according to one of the preceding claims, characterized in that the dielectric material is chosen from Al 2 0 3 , Si0 2 , Hf0 3 .
9. Détecteur de rayonnement électromagnétique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la différence de potentiel appliquée entre la seconde électrode et la première électrode est choisie supérieure ou égale à9. Electromagnetic radiation detector according to one of the preceding claims, characterized in that the potential difference applied between the second electrode and the first electrode is chosen to be greater than or equal to
45jssAUbbeNa 45d s AU bb eN a
où ss et sd sont respectivement les constantes diélectriques de la couche semiconductrice et de la couche isolante, d est l'épaisseur de la couche isolante, AUbb est l'amplitude de la courbure de bande en absence de différence de potentiel appliquée, Na est la concentration d'accepteurs dans la couche semiconductrice et e est la charge de l'électron. where s s and s d are respectively the dielectric constants of the semiconductor layer and of the insulating layer, d is the thickness of the insulating layer, AU bb is the amplitude of the band curvature in the absence of an applied potential difference, N a is the concentration of acceptors in the semiconductor layer and e is the charge of the electron.
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